Неожиданное генетическое и микробное разнообразие круговорота мышьяка в глубоководных холодных отложениях

npj Биопленки и микробиомы, том 9, Номер статьи: 13 (2023) Цитировать эту статью

1545 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Холодные выходы, где холодная богатая углеводородами жидкость выходит с морского дна, демонстрируют сильное обогащение токсичным металлоидным мышьяком (As). Токсичность и подвижность мышьяка могут быть существенно изменены микробными процессами, которые играют важную роль в глобальном биогеохимическом круговороте мышьяка. Однако глобальный обзор генов и микробов, участвующих в трансформации As при просачивании, еще предстоит полностью раскрыть. Используя 87 метагеномов отложений и 33 метатранскриптома, полученных из 13 глобально распространенных холодных просачиваний, мы показываем, что гены детоксикации As (arsM, arsP, arsC1/arsC2, acr3) преобладали на просачиваниях и были более филогенетически разнообразны, чем ожидалось ранее. Asgardarchaeota и множество неидентифицированных типов бактерий (например, 4484-113, AABM5-125-24 и RBG-13-66-14) также могут выступать в качестве ключевых игроков в трансформации As. Численность циклических генов As и состав As-ассоциированного микробиома менялись в зависимости от глубины отложений или типов холодного просачивания. Энергосберегающее восстановление арсената или окисление арсенита может повлиять на биогеохимический круговорот углерода и азота, поддерживая фиксацию углерода, деградацию углеводородов и фиксацию азота. В целом, это исследование представляет собой всесторонний обзор генов и микробов, циклирующих As в холодных просачиваниях, обогащенных As, закладывая прочную основу для дальнейших исследований круговорота As в глубоководном микробиоме на ферментативном и процессуальном уровнях.

Холодные просачивания характеризуются выбросом подземных жидкостей на морское дно и широко распространены на активных и пассивных окраинах континентов1,2. Восходящие флюиды часто богаты метаном и другими углеводородами, которые поддерживают оазис морского дна, состоящий из различных микроорганизмов и фаунистических комплексов3,4. Основным процессом, который питает сложные экосистемы холодного просачивания, является анаэробное окисление метана (АОМ), которым совместно управляет консорциум анаэробных метанокисляющих архей (ANME) и сульфатредуцирующих бактерий (SRB)5,6. АОМ удаляет около 80% метана, выходящего вверх, действуя как эффективный фильтр метана7. Кроме того, глубоководные холодные отложения также содержат разнообразные и многочисленные диазотрофы, которые могут внести существенный вклад в глобальный баланс азота8. Таким образом, холодные просачивания имеют биологическое и геохимическое значение в глобальном масштабе.

Выходящие жидкости могут существенно влиять на осадочную среду участков просачивания, приводя к изменению химических характеристик осадков9. В частности, мышьяк (As), один из самых распространенных элементов в земной коре, аномально обогащен в сиповых отложениях10,11,12,13,14. Аномальное обогащение мышьяком может быть связано с поднимающимися флюидами, которые могли захватывать мышьяк и другие металлы при прохождении через мощные глинистые формации10,14; или так называемый эффект челнока с частицами железа9,11,13. А также токсичные металлоиды в природе, которые при воздействии могут вызвать негативные последствия для всего живого15. В зависимости от физико-химических условий As может находиться в различных состояниях окисления и метилирования, демонстрируя различные уровни токсичности и биодоступности16. В морской среде арсенат (As(V)) и арсенит (As(III)) являются доминирующими формами неорганического As17. Предполагается, что микробы развили генетический репертуар, связанный с круговоротом As, датируемый по меньшей мере 2,72 миллиарда лет назад18,19. Процессы биотрансформации As включают детоксикацию As для снижения токсичности и дыхание As для сохранения энергии. Детоксикация As в основном достигается в два этапа: восстановление As(V) до As(III) цитоплазматическими редуктазами As(V) (ген arsC) с гомологией либо семейству глутаредоксина (ген arsC1), либо тиоредоксина (ген arsC2) и последующего экструзия As(III) через пермеазы оттока As(III) (гены arsB и acr3)20,21 (рис. 1). Другой механизм детоксикации As включает метилирование As(III) в метиларсенит (MAs(III)) с помощью метилтрансферазы S-аденозилметионина (SAM) As(III) (ген arsM)22 (рис. 1). Хотя промежуточные соединения MAs(III) более токсичны, чем As(III), они не накапливаются в клетках и могут быть детоксицированы несколькими различными путями. МА(III) могут быть дополнительно метилированы с помощью ArsM и улетучиваются, экструдируются из клеток с помощью пермеазы оттока МА(III) (ген arsP)23, окисляются до менее токсичных МА(V) с помощью специфичной для MAs(III) оксидазы (ген arsH). )24 или деметилируется до менее токсичного As(III) с помощью C-As-лиазы (ген arsI)25. Поскольку дыхание состоит из хемолитотрофного окисления As(III) оксидазой As(III) (гены aioAB/arxAB) и диссимиляционного восстановления As(V) респираторной редуктазой As(V) (гены arrAB)15,26 (рис. 1). . В совокупности микробы оказывают огромное потенциальное влияние на биогеохимический круговорот и токсичность As.